Interazione fra tempo relativistico e quantistico

Un ponte tra due mondi: la rivoluzionaria scoperta del tempo quantistico. Questo è un concetto profondamente diverso dalla nostra intuizione quotidiana del tempo come una grandezza uniforme e assoluta.

Abbiamo appurato che la coscienza è soggetta ai fenomeni quantistici ed è, di conseguenza eterna, ma cosa significa eterno? Il tempo esiste anche nel mondo quantistico o è un nostra invenzione? Le divergenze concettuali tra la relatività generale e la meccanica quantistica hanno prodotto una frattura epistemologica significativa, mettendo a dura prova la nostra comprensione dell’universo. Questo scisma concettuale ha posto una sfida monumentale: conciliare due visioni del tempo apparentemente inconciliabili. Da un lato, la relatività generale, dall’altro, la meccanica quantistica, con la sua visione rivoluzionaria della realtà.

Un conflitto di visioni

La relatività generale ha introdotto il concetto di “spaziotempo“, unificando lo spazio e il tempo in una singola entità geometrica e riconoscendogli una simmetria e una connessione senza precedenti. Secondo questa teoria, il tempo non è semplicemente una dimensione indipendente, ma è intrecciato inestricabilmente con lo spazio, plasmando la struttura stessa dell’universo. In questo contesto, il tempo diventa una sorta di “quarta dimensione”, equiparabile alle tre dimensioni spaziali e in grado di influenzare e di essere influenzato dalla gravità e dalla materia.

Dall’altro lato, la meccanica quantistica ha presentato una prospettiva completamente diversa sul tempo. Secondo questa teoria, il tempo è trattato come un parametro esterno, una sorta di sfondo su cui si svolgono gli eventi fisici, ma che non fa parte integrante del tessuto stesso della realtà. In questo contesto, il tempo non ha una natura intrinseca, ma è piuttosto una convenzione umana, un’illusione soggettiva che emerge dall’interazione tra osservatore e sistema osservato. Questa dicotomia concettuale ha generato un profondo scisma nella nostra comprensione dell’universo, aprendo la strada a dibattiti filosofici e scientifici di vasta portata.

Un ponte fra due mondi

Nonostante le apparenti incongruenze tra le due teorie, il lavoro condotto dal gruppo di ricerca dell’Istituto dei Sistemi Complessi del Cnr-Isc e dell’Università di Firenze ha dimostrato che è possibile superare questo conflitto concettuale e costruire un ponte fra le due visioni del tempo.

Lo studio propone una descrizione completamente quantistica del tempo, in grado di unificare le equazioni che governano l’evoluzione temporale dei sistemi fisici, sia nella fisica classica che nella meccanica quantistica. Questo approccio innovativo si basa sul “meccanismo di Page and Wootters“, che associa l’idea di tempo allo stato di un orologio.

Secondo questa proposta, il tempo è intrinsecamente legato allo stato di un sistema fisico e può essere definito in relazione alla sua evoluzione nel tempo. Questo concetto si basa sull’idea che il tempo è una nozione intrinseca alla natura stessa della realtà e non può essere considerato come un semplice parametro esterno. Secondo questa prospettiva, il tempo è intrecciato inestricabilmente con lo spazio e la materia, plasmando la struttura stessa dell’universo e influenzando il suo sviluppo nel corso del tempo.

Il meccanismo di Page and Wootters

Il meccanismo di Page and Wootters, introdotto circa quarant’anni fa da fisici pionieristici nel campo della meccanica quantistica, è una proposta rivoluzionaria che getta le basi per una nuova comprensione del tempo.

Il meccanismo di Page and Wootters si colloca nel contesto della meccanica quantistica, un ramo della fisica che descrive il comportamento delle particelle subatomiche e dei sistemi microscopici. In questa teoria, i sistemi fisici sono descritti da funzioni d’onda quantistiche che evolvono nel tempo secondo le equazioni di Schrödinger.

Il punto chiave del meccanismo di Page and Wootters è che suggerisce che il tempo, anziché essere una grandezza esterna o indipendente, è piuttosto legato allo stato quantistico dei sistemi fisici stessi. Immaginiamo di avere un orologio quantistico, cioè un sistema fisico che obbedisce alle leggi della meccanica quantistica. Secondo questo meccanismo, il tempo sarebbe definito da uno stato quantistico specifico di questo orologio.

Ma cosa significa “stato quantistico“? Nella meccanica quantistica, gli stati dei sistemi sono descritti da funzioni d’onda che rappresentano la probabilità di trovare il sistema in uno stato specifico quando viene misurato. Queste funzioni d’onda possono essere complesse e coinvolgere una grande quantità di informazioni sui sistemi. Quindi, il meccanismo di Page and Wootters suggerisce che possiamo interpretare lo stato quantistico di un sistema come una sorta di “registro” che contiene tutte le informazioni necessarie per descrivere l’evoluzione temporale del sistema stesso.

Il tempo, quindi, non sarebbe una grandezza separata o distinta, ma piuttosto emergerebbe dall’evoluzione dello stato quantistico del sistema nel tempo. Questo è un concetto profondamente diverso dalla nostra intuizione quotidiana del tempo come una grandezza uniforme e assoluta. Invece, suggerisce che il tempo è intimamente legato alla dinamica dei sistemi fisici stessi, offrendo una nuova prospettiva sulla sua natura e sul suo significato all’interno della meccanica quantistica.

Un modello senza tempo

Il modello proposto dai ricercatori consiste in un orologio e un sistema quantistico, fortemente correlati attraverso l’entanglement, ma non interagenti direttamente. Questo modello, che potremmo definire un “modello senza tempo“, cerca di cogliere l’essenza stessa del tempo, oltre le convenzioni e le illusioni umane. Aggiungendo al meccanismo di Page and Wootters la descrizione del “quantum-to-classical crossover“, i ricercatori dimostrano l’esistenza di un parametro temporale per il sistema, indipendentemente dalla trattazione quantistica o classica. Facciamo chiarezza.

Quantum-to-Classical Crossover

Il quantum-to-classical crossover è un concetto chiave nel comprendere come i sistemi macroscopici, come quelli che osserviamo nel mondo quotidiano, possano essere descritti dalle leggi della fisica classica, nonostante i loro costituenti microscopici obbediscano alle leggi della meccanica quantistica. Questo fenomeno si verifica quando un sistema macroscopico diventa così grande che gli effetti quantistici diventano trascurabili e il sistema inizia a comportarsi in modo simile a un sistema classico.

In altre parole, su larga scala, le particelle che costituiscono un sistema macroscopico interagiscono tra loro in modo tale da comportarsi come particelle classiche, obbedendo alle leggi della fisica classica anziché alla meccanica quantistica. Questo fenomeno è fondamentale per la nostra comprensione del passaggio graduale dalla meccanica quantistica alla fisica classica quando consideriamo sistemi su larga scala.

Questo significa che, nonostante il sistema sia governato dalle leggi della meccanica quantistica, sulla scala macroscopica può essere descritto in termini classici. In altre parole, il modello suggerisce che anche quando non siamo consapevoli dei fenomeni quantistici, come nel caso della nostra esperienza quotidiana del tempo, il sistema può ancora manifestare comportamenti che riflettono la sua natura quantistica. Questo è fondamentale per comprendere come, nonostante la complessità della meccanica quantistica, possiamo ancora percepire e interagire con il mondo intorno a noi attraverso il filtro della fisica classica.

Il tempo non è una mera convenzione umana, ma una caratteristica intrinseca della realtà stessa, che può essere compresa solo attraverso un’analisi approfondita dei fenomeni quantistici.

Le implicazioni tangibili

Questo studio ha unificato le due teorie del tempo, quella classica e quella quantistica, fornendo un quadro teorico che integra entrambe le prospettive. Tradizionalmente, la fisica classica e la meccanica quantistica hanno offerto interpretazioni divergenti del concetto di tempo. I ricercatori hanno superato questa dicotomia, dimostrando che il tempo non può essere separato in una manifestazione quantistica e una classica, ma piuttosto rappresenta un’unica entità che emerge dall’entanglement quantistico dei sistemi fisici. In altre parole, il tempo è una manifestazione dell’entanglement stesso, estendendosi sia ai sistemi quantistici che a quelli classici.

Questa unificazione delle due visioni del tempo è stata resa possibile dall’introduzione del “modello senza tempo” proposto dai ricercatori. Questo modello ha fornito una nuova prospettiva sulla natura del tempo, suggerendo che sia una caratteristica intrinseca della realtà stessa, emergente dall’interazione dei sistemi fisici attraverso l’entanglement.